CN108101229B - 一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，生物膜反应器作为反应器，载体填料填充孔隙率为50‑85%，接种菌源来自底泥和浸水土壤，先后采用序批式和连续流模式在恒温条件下运行，采用循环水泵或出水回流方式搅拌混合底泥与生物膜载体。有益效果为：强化方法能有效提供寡营养生境微生物，提高功能菌群组成，加快水源水预处理工艺生物膜的快速形成，提高水源水生物膜处理工艺功能多样性，强化污染水源水中氮素和有机物的去除。

Description

一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，尤其是涉及一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法。

技术背景

近年来，随着工业废水、城镇污水、农业径流污染的加剧，环境水体水质有逐渐恶化的趋势。尤其在发展中国家，以氮素和有机物为主的污染极大的影响着水源水水质，严重威胁着饮用水安全保障。传统水源水处理工艺以混凝、沉淀、过滤和消毒为主，对水源水中的颗粒物、微生物等具有较好的去除效果，但不能有效去除溶解性有机物和氮素，而且可能会产生二次污染物和消毒副产物(DBPs)，危害饮用者的健康和生命。生物膜工艺能够有效去除水源水中的氮素和有机物，对痕量的抗生素、持久性有机污染物和环境激素等也能达到很好的去除效果，基本不会产生二次污染。此外，生物膜工艺在运行时不需要额外添加药剂，管理简单方便，在所有水源水处理工艺中，具有最低的运行成本，近年来常作为预处理工艺逐渐应用于污染水源水的净化，能够取得较好的污染物去除效果。

然而，污染水源水属于寡营养水质，严重限制了生物膜工艺中功能菌群的富集，尤其是功能微生物的生长和繁殖。在生物膜工艺的启动过程中，因水源水处理的特殊性，不能采用活性污泥等微生物丰富的生物聚集体作为接种污泥，常在曝气条件下采用自然挂膜法富集微生物形成生物膜，启动时间特别长，即便在较低负荷运行条件下，氮素和有机物的去除性能和运行稳定性也受到了极大的限制。

目前为止，用于水源水生物预处理的生物膜工艺主要包括生物曝气池和生物滤池两类。生物滤池因其水流阻力较大且易于堵塞，不太适用于高浊度水源水的处理。生物曝气池功能较为单一，主要是在高曝气条件下实现氨氮转化为硝氮的目的，不能实现反硝化脱氮反应而使氮素彻底从水体中去除。针对生物曝气池功能单一、工艺启动时间长以及氮素和有机物等污染物去除性能欠佳等问题，提供水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法将有助于系统的快速启动和运行性能的提高，进一步减少系统运行成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，能够有效提供寡营养生境微生物，加速组建功能菌群，促进水源水生物膜的高效、快速形成，提高水源水生物膜处理工艺功能多样性，强化污染水源水中氮素和有机物的去除。

本发明针对背景技术中提到的问题，采取的技术方案为：一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，包括：

步骤一：反应器为生物膜反应器，填充载体填料孔隙率为50-85%，载体填料为弹性填料或聚氨酯填料或碳纤维填料或多面空心球，填充载体填料密度为1.0-3.0kg/m³，均匀堆积填充或悬挂填充于反应器中，载体之间空隙0.1-10mm且无挤压堆积；反应器中堆积或悬挂填充载体填料有助于提高生物膜工艺中微生物的富集，尤其是增强功能微生物的生长和繁殖，处理方法较为简单，成本较低，并且填充载体填料的种类易控、可选，可以对不同类型污染水源水选用针对性的填料；

步骤二：接种菌源来自底泥和浸水土壤，先后采用序批式和连续流模式在恒温条件下运行，序批式模式运行2-10天后，再采用连续流模式运行7-40天，运行温度为18-25℃范围内任一恒定温度，温度变化为0-2℃；序批式运行能够有效持留接种底泥和浸水土壤，减少出水外排；连续流模式条件能够充分提高生物膜形成所需的水力剪切力，提高进水基质负荷，先后使用两种处理方法预处理有助于加快水源水预处理工艺生物膜的快速形成，提高水源水生物膜处理工艺功能多样性，强化污染水源水中氮素和有机物的去除；

步骤三：采用循环水泵或出水回流方式搅拌混合底泥与生物膜载体，底泥及浸水土壤粒径范围为0.01-2.00mm，在反应器启动之初，添加干重量为1.0-5.0g/mL底泥或浸水土壤，运行10-20天后可再次添加0-3.0 g/mL；搅拌混合底泥与生物膜载体有助于增加溶氧，提高微生物菌群的生长于繁殖，可加快富集微生物形成生物膜，提高去除污染水源水中氮素和有机物的去除，同时可以提高水源水生物膜处理工艺微生物生境多样性。

作为优选，步骤二中反应器序批式和连续流运行模式均采用循环水泵搅拌重悬浮底泥或浸水土壤，循环水泵为潜水泵，置于反应器底部，水流负荷为10.0-40.0L/L/h；

作为优选，步骤二中反应器序批式和连续流运行模式可采用出水回流方式搅拌重悬浮底泥或浸水土壤，采用出水回流方式搅拌时出水回流比为0.5-1.0。

作为优选，步骤二中序批式模式和连续流模式运行阶段需补充有机碳、氨氮、磷酸盐及微量元素Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Co、Na、Mn、B和Ni。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1）能够有效提高生物膜工艺中微生物的富集，尤其是增强功能微生物的生长和繁殖，处理方法较为简单，成本较低；2）强化方法有助于提高功能菌群组成，加快水源水预处理工艺生物膜的快速形成；提高水源水生物膜处理工艺功能多样性，强化污染水源水中氮素和有机物的去除。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明方案作进一步说明：

实施例1：

反应器R1为上流式生物膜反应器，有效体积为5.0L，填充载体填料为弹性载体填料孔隙率为97.3%，填料密度为3.0kg/m³，试验过程中弹性填料悬挂填充于反应器中，载体之间空隙约5mm且无挤压。

接种菌源来自某水库底泥，底泥粒径范围为0.01-0.90mm，在反应器启动之初，添加干重量约为3g/mL，此后不再添加底泥。

采用序批式模式运行7天，然后采用连续流模式运行25天，总共运行时间为32天，实验恒温条件为18℃，温度变化不超过2℃；采用循环水泵搅拌混合底泥。

反应器序批式运行时采用出水回流方式搅拌出水回流比为1.0，连续流运行模式均采用循环水泵，循环水泵为潜水泵，置于反应器底部，水流负荷为40 L/L/h，或采用出水回流方式搅拌，出水回流比为1.0。

序批式模式运行阶段及连续流运行阶段需补充有机碳为乙醇、氨氮、磷酸盐及营养元素Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Na、Mn和Ni，对应的氨氮和乙醇-碳浓度分别为2.0 mg/L和5.0 mg/L，KH₂PO₄为0.27g/L；微量元素组分包括FeSO₄·7H₂O (9.14mg/L)，H₃BO₃ (0.014 mg/L)，ZnSO₄·7H₂O (0.43mg/L)，MnCl₂·4H₂O (0.99mg/L)，CoCl₂·6H₂O (0.24mg/L)，NiCl₂·6H₂O(0.21mg/L)，CuCl₂·2H₂O (0.25mg/L)。

结果表明，氨氮和TN去除率分别为49.5%和35.0%，相比于实际运行的水源水曝气池生物膜处理系统中TN基本无去除，发明所涉方法运行的反应器TN去除率得到强化，高于实际运行大水源水预处理工艺生物曝气池。

实施例2：

反应器R2在序批式运行阶段添加底泥，连续流运行模式下的前11天不添加底泥，之后添加底泥1.5g/mL,其余运行条件同反应器R1。

结果表明，批次运行去除底泥后经过11天的运行反应器R1对氨氮的平均去除率为10.3%，最大氨氮去除率分别为37.9%，TN去除率达到34.0%。相比于实际运行的水源水曝气池生物膜处理系统中TN基本无去除，发明所涉方法运行的反应器TN去除率得到强化，明显高于实际运行大水源水预处理工艺生物曝气池。但因底泥去除率明显低于反应器R1。

实施例3：

实验反应器R3添加底泥干重量约为3.0g/mL，底泥粒径0.01-2.00mm，运行18天后添加底泥1.5g/mL，其余运行条件同反应器R1。

结果表明，运行11天的反应器R3对氨氮的平均去除率为37.1%，最大氨氮去除率分别为51.6%,，明显高于反应器R1和R2，同时TN去除率达到34.0%，高于实际运行大水源水预处理工艺生物曝气池。

实施例4：

实验反应器R4在运行之初添加浸水土壤干重量约为1.0g/mL，土壤粒径0.01-2.00mm，之后不再添加浸水土壤，载体填料为聚氨酯填料，填料密度为1.0 kg/m³，孔隙率约70%。反应器序批式和连续流运行时均采用出水回流方式搅拌出水回流比为0.5，其余运行条件同反应器R1。

结果表明，运行11天，反应器R4对氨氮的平均去除率为24.0%，最大氨氮去除率分别为38.5%，同时TN去除率达到28.0%，高于实际运行大水源水预处理工艺生物曝气池。

实施例5：

一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，按照下列步骤启动水源水生物膜预处理工艺：

步骤一：反应器为生物膜反应器R5，填充载体填料孔隙率为50%，载体填料为聚氨酯填料、多面空心球，填充载体填料密度为1.0kg/m³，均匀堆积填充或悬挂填充于反应器中，载体之间空隙0.1mm且无挤压堆积；

步骤二：接种菌源来自底泥和浸水土壤，先后采用序批式和连续流模式在恒温条件下运行，序批式模式运行2天，序批式模式运行阶段需补充有机碳、氨氮、磷酸盐及微量元素同实施例1，再采用连续流模式运行7天，运行温度为18℃，序批式和连续流运行模式均采用循环水泵搅拌底泥和浸水土壤，循环水泵为潜水泵，置于反应器底部，水流负荷为10.0L/L/h；

步骤三：采用循环水泵或出水回流方式搅拌混合底泥与生物膜载体，底泥及浸水土壤粒径范围为0.01-0.05mm，在反应器启动之初，添加干重量为1.0g/mL底泥或浸水土壤。

结果表明，氨氮去除率为50.6%，TN去除率为33.5%，相比于实际运行的水源水曝气池生物膜处理系统中TN基本无去除，发明所涉方法运行的反应器TN去除率得到强化，其氨氮与TN去除率均高于实际运行大水源水预处理工艺生物曝气池。

实施例6：

一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，具体包括以下步骤：

步骤一：反应器为生物膜反应器R6，填充载体填料孔隙率为60%，载体填料为弹性填料和碳纤维填料，填充前将弹性填料和碳纤维填料在含有12.5μM乙酰柠檬酸三丁酯和8.6μM（2R，4R）-戊二醇的水溶液中浸泡2-4小时，填充载体填料密度为2.0kg/m³，均匀堆积填充或悬挂填充于反应器中，载体之间空隙2.5mm且无挤压堆积；反应器中堆积或悬挂填充载体填料有助于提高生物膜工艺中微生物的富集，尤其是增强功能微生物的生长和繁殖，处理方法较为简单，成本较低，并且填充载体填料的种类易控、可选，可以对不同类型污染水源水选用针对性的填料；浸泡后，乙酰柠檬酸三丁酯和（2R，4R）-戊二醇能够产生协同作用，二者的协同作用能够对富集在填料中的好氧微生物的三羧酸循环产生有益作用，增强微生物的三羧酸循环运行效率，进而提高微生物的能量转换效率，有利于促进微生物的生长繁殖，使好氧微生物迅速的富集成生物膜，大大降低了水源水生物膜的形成时间，提高水源水生物膜预处理工艺对污水的处理效率；

步骤二：接种菌源来自底泥和浸水土壤，先后采用序批式和连续流模式在恒温条件下运行，序批式模式运行5天后，序批式模式运行阶段需补充有机碳、氨氮、磷酸盐及微量元素同实施例1，再采用连续流模式运行12天，运行温度为23±1℃，反应器序批式和连续流运行模式均采用循环水泵搅拌重悬浮底泥和浸水土壤，循环水泵为潜水泵，置于反应器底部，水流负荷为25.0L/L/h；序批式活性污泥法占地面积较小，耐冲击负荷，处理有毒或高浓度有机废水的能力较强；连续流模式活性污泥法具有实现周期短、短程效果更稳定、硝化速率高及不容易引发污泥膨胀的优点，先后使用两种处理方法预处理有助于加快水源水预处理工艺生物膜的快速形成，提高水源水生物膜处理工艺功能多样性，强化污染水源水中氮素和有机物的去除；

步骤三：采用循环水泵或出水回流方式搅拌混合底泥与生物膜载体，底泥及浸水土壤粒径范围为0.1-1.00mm，在反应器启动之初，添加干重量为4.0g/mL底泥或浸水土壤，运行14天后可再次添加1.5g/mL；搅拌混合底泥与生物膜载体有助于增加溶氧，提高微生物菌群的生长于繁殖，可加快富集微生物形成生物膜，提高去除污染水源水中氮素和有机物的去除，同时可以提高水源水生物膜处理工艺功能多样性。

结果表明，反应器R6对氨氮、TN的去除效果均大大优越于实际运行水源水预处理工艺生物曝气池的氨氮和TN去除效果，具有较大的市场前景。

本发明操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，其特征在于：所述强化方法包括：

步骤一：反应器为生物膜反应器，填充载体填料孔隙率为50-85％；

步骤二：接种菌源来自底泥和浸水土壤，先后采用序批式和连续流模式在恒温条件下运行；

步骤三：采用循环水泵或出水回流方式搅拌混合底泥与生物膜载体；

所述步骤一中的载体填料为弹性填料或聚氨酯填料或碳纤维填料或多面空心球；填充前将载体填料在含有12.5μM乙酰柠檬酸三丁酯和8.6μM(2R，4R)-戊二醇的水溶液中浸泡2-4小时；

所述步骤一中的填充载体填料密度为1.0-3.0kg/m³，均匀堆积填充或悬挂填充于反应器中，载体之间空隙0.1-10mm且无挤压堆积；

所述步骤二中的启动阶段先采用序批式模式运行2-10天，再采用连续流模式运行7-40天，运行温度为18-25℃范围内任一恒定温度，温度变化为0-2℃；

所述步骤三中的底泥及浸水土壤粒径范围为0.01-2.00mm，在反应器启动之初，添加干重量为1.0-5.0g/mL底泥或浸水土壤，运行10-20天后可再次添加0-3.0g/mL。

2.根据权利要求1所述的一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，其特征在于：所述步骤二中的序批式和连续流运行模式均采用循环水泵或出水回流方式搅拌重悬浮底泥或浸水土壤，循环水泵为潜水泵，置于反应器底部，水流负荷为10.0-40.0L/L/h，或采用出水回流方式搅拌，出水回流比为0.5-1.0。

3.根据权利要求1所述的一种水源水生物膜预处理工艺启动性能强化方法，其特征在于：所述步骤二中的序批式模式和连续流运行阶段需补充有机碳、氨氮、磷酸盐及微量元素Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Co、Na、Mn、B和Ni。